Развитие аппаратных средств вычислительной техники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО "ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Политехнический институт

Кафедра «Технологии машиностроения»

 

 

Хрячкова В.В., доцент, к.т.н.

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

дисциплины

 

ИНФОРМАТИКА

 

 

Уровень профессионального образования: (высшее образование – бакалавриат)

Направление (специальность) подготовки:

15.03.05 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств

Профиль (специализация) подготовки: Технология машиностроения

Квалификация выпускника: Бакалавр

Форма обучения: (заочная)

 

Тула 2015

Разработал:

кан.тех.наук., доц. В.В. Хрячкова

 

Рассмотрено на заседании кафедры

Протокол №1 от "28" августа 2015 г.

Зав.кафедрой ___________ А.А. Маликов

 

Содержание:

	Тема 1. Понятие информации, ее виды и свойства.
	Тема 2. Этапы развития информатики и вычислительной техники.
	Тема 3. Последовательность решения задач на ЭВМ.
	Тема 4. Основы алгоритмизации.
	Тема 5. Основные структуры алгоритмов. Назначение блоков и правила их применения (ГОСТ 19.701-90).
	Тема 6. Программное обеспечение ЭВМ.
	Тема 7. Введение в программирование на ЭВМ. Современные языки программирования. Язык Basic Microsoft., основные группы операторов.
	Тема 8. Операторы организации вычислений.
	Тема 9. Операторы ввода-вывода данных.
	Тема 10. Операторы работы с файлами.
	Тема 11. Операторы работы с графическими примитивами.
	Тема 12. Операторы обработки символьной информации.
	Тема 13. Операторы работы с процедурами и функциями.
	Тема 14. Операторы обработки прерываний в программах на Basic Microsoft.
	Тема 15. Архитектура ЭВМ.
	Тема 16. Функциональные устройства ЭВМ.
	Тема 17. Внешние устройства ПК.
	Тема 18. Технология программирования. Модульное и структурное программирование.
	Тема 19. Технология программирования. Объектно-ориентированное программирование.
	Тема 20. Понятие интерфейса и его назначение.
	Тема 21. Конфигурация систем на уровне BIOS.
	Тема 22. Конфигурация систем на уровне DOS, WINDOWS.
	Тема 23. Средства обработки текстовой информации.
	Тема 24. Средства обработки графической информации.
	Тема 25. Базы данных.
	Тема 26. Основы защиты информации и сведений составляющих государственную тайну

Тема 1

1.Понятие информации, ее виды и свойства.

Концепции информации

Социальная информация

Признаки информации

Формы представления информации

Свойства информации

Практическая ценность информации

 

Фундаментальной чертой цивилизации является рост производства, потребления и накопления информации во всех отраслях человеческой деятельности. Вся жизнь человека, так или иначе, связана с получением, накоплением и обработкой информации.

В области накопления научной информации ее объем начиная с XVII века удваивался примерно каждые 10 - 15 лет. Поэтому одной из важнейших проблем человечества является лавинообразный поток в любой отрасли его жизнедеятельности.

Подсчитано, например, что в настоящее время специалист должен тратить I около 80% своего рабочего времени, чтобы уследить за всеми новыми печатными работами в его области деятельности.

Увеличение информации и растущий спрос на нее обусловили появление отрасли связанной с автоматизацией обработки информации - ИНФОРМАТИКИ.

“Информатика” научная дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности всех процессов обмена \ информацией. Значительную часть этих процессов составляет научно-информационная деятельность по сбору, переработке, хранению, поиска и \ передачи информации.

Объектом изучения информатики не является содержание конкретной научно-информационной деятельности, которой должны заниматься специалисты в соответствующих отраслях науки и техники.

Информатику рассматривают как один из разделов кибернетики, считается, что в последнюю входят проблемы автоматизации информационной службы, перевода и реферирования научно-технической литературы, построение информационно-поисковых систем и ряд других задач.

Кибернетика - наука об общих законах получения, хранения, передачи и переработки информации в сложных системах. При этом под сложными системами понимаются технические, биологические и социальные системы, поэтому кибернетика нуждалась в мощном инструменте, и этим инструментом стали компьютеры.

В целях устранения создавшегося положения в стране была разработана государственная программа, базирующаяся на концепции информатизации общества. Основные положения этой концепции предусматривают:

1. Достижение всеобщей компьютерной грамотности;

2. Создание материально-технической базы, обеспечивающей широкое | использование компьютерной техники и технологий на уровне мировых \ стандартов;

3. Разработка и внедрение единого фонда программного обеспечения;

4. Эффективное использование потенциала информационно-вычислительных систем во всех сферах жизни общества.

Для студентов машиностроительных специальностей существенны три образовательных элемента инженерной информатики:

1) касается знакомства с аппаратной реализацией электронно-вычислительных машин, т.е. знакомства с ее архитектурой и программным обеспечением (это общая предварительная и обязательная подготовка к работе с компьютером);

2) знание этапов решения задач на ЭВМ с использованием языков программирования высокого уровня и инженерных систем.

3) элемент включает основы системного анализа, теории информации и управления применительно к управлению производством.

Концепции информации

Существование множества определений информации обусловлено сложностью, специфичностью и многообразием подходов к толкованию сущности этого понятия. В качестве справки выделим три наиболее распространенные концепции информации, каждая из которых по-своему объясняет ее сущность.

Первая концепция (концепция К.Шеннона), отражая количественно-информационный подход, определяет информацию как меру неопределенности (энтропию) события. Количество информации в том или ином случае зависит от вероятности его получения: чем более вероятным является сообщение, тем меньше информации содержится в нем. Этот подход, хоть и не учитывает смысловую сторону информации, оказался весьма полезным в технике связи и вычислительной технике, послужил основой для измерения информации и оптимального кодирования сообщений.

Вторая концепция рассматривает информацию как свойство (атрибут) материи. Ее появление связано с развитием кибернетики и основано на утверждении, что информацию содержат любые сообщения, воспринимаемые человеком или приборами. Иными словами, информация как свойство материи создает представление о ее природе и структуре, упорядоченности, разнообразии и т.д. Она не может существовать вне материи, а значит, она существовала и будет существовать вечно, ее можно накапливать хранить перерабатывать.

Третья концепция основана на логико-семантическом (семантика - изучение текста с точки зрения смысла) подходе, при котором информация трактуется как знание, причем не любое знание, а та его часть, которая используется для ориентировки, для активного действия, для управления и самоуправления. Иными словами, информация - это действующая, полезная, " работающая " часть знаний.

Социальная информация

Социальная информация - многоуровневое знание. Она характеризует: общественные процессы в целом - экономические, политические, социальные, демографические, культурно-духовные и т.д.; конкретные процессы, происходящие в различных ячейках общества на предприятиях, в кооперативах, семьях и т.д.; а также интересы и стремления различных социальных групп - рабочего класса, молодежи, пенсионеров, женщин и др. В самом общем смысле под социальной информацией понимают знания, сообщения, сведения о социальной форме движения материи и о всех других ее формах в той мере, в какой они используются обществом, вовлеченными в орбиту общественной жизни. Другими словами, информация есть содержание логического мышления, которое, воспринимаясь с помощью слышимого или видимого слова, может быть использована людьми в их деятельности.

Из множества определений информации наиболее целесообразным представляется следующее: информация - это сведения, снимающие неопределенность об окружающем мире, которые являются объектом хранения, преобразования, передачи и использования. Сведения - это знания, выраженные в сигналах, сообщениях, известиях, уведомлениях и т.д.

Особенность информации в том, что, будучи материальным явлением, она не является ни материей, ни энергией. В кибернетическом смысле информация - это отражение одного объекта в другом, используемое для формирования управленческих воздействий.

Обмен информацией совершается не вообще между любыми объектами, а только между теми из них, которые представляют собой систему, обладающую каким-то минимум организованности. В целом возникновение и развитие теории информации, а также кибернетики и информатики, явилось научным подтверждение теории отражения и способствовало ее дальнейшему развитию.

Справедливо отмечается принципиальная невозможность разработки универсальной для всех случаев классификации информации.

Признаки информации.

Все многообразие окружающей нас информации можно сгруппировать по различным признакам:

1 - по признаку "область возникновения" информация, отражающая процессы, явления неодушевленной природы называется элементарной или механической, процессы животного и растительного мира

- биологической, человеческого общества - социальной.

2 - различают виды информации по способу передачи и восприятия. Информацию, передаваемую видимыми образами и символами, называют, визуальной, звуками - аудиальной, ощущениями - тактильной, запахами и вкусами - органолептической, информацию, выдаваемую и воспринимаемую средствами вычислительной техники, - машинной.

3 - информацию, создаваемую и используемую человеком, по общественному назначению можно разбить на три вида: личная, массовая и специальная. Название классов используемой информации раскрывает и их содержание, так личная информация предназначается для конкретного человека, массовая - предназначается для любого желающего ее пользоваться (общественно-политическая, научно-популярная и т.д.), специальная - предназначена для использования узким кругом лиц занимающихся решением сложных специальных задач в области науки, техники, экономики, а в органах внутренних дел оперативно-розыскные данные, криминалистические данные и т.п.

Разнообразие источников и потребителей информации привело к существованию различных форм ее представления: символьной, текстовой и графической. Символьная форма, основана на использовании символов - букв, цифр, знаков и т.д., является наиболее простой, но она практически применяется только для передачи несложных сигналов о различных событиях. Примером может служить зеленый свет уличного светофора, который сообщает о возможности начала движения пешеходам или водителям автотранспорта, милицейский свисток дает информацию о действиях, которые должен предпринять милиционер, услыхавший этот звуковой сигнал.

Более сложной является текстовая форма представления информации. Здесь так же, как и в предыдущей форме, используются символы: буквы, цифры, математические знаки. Однако информация заложена не только в этих символах, но и в их сочетании, порядке следования.

Наиболее емкой и сложной является графическая форма представления информации. К этой форме относятся фотографии, схемы, чертежи, рисунки.

Свойства информации.

Переходя к рассмотрению свойств информации необходимо отметить, что информация выступает как свойство объектов и явлений (процессов) порождать многообразие состояний, которые посредством отражения передаются от одного объекта к другому и запечатляются в его структуре (возможно, в измененном виде).

Свойства информации можно рассматривать в трех аспектах: техническом - это точность, надежность, скорость передачи сигналов и т.д.; семантическом - это передача смысла текста с помощью кодов и прагматическом - это насколько эффективно информация влияет на поведение объекта.

Целевая функция информации (ее прагматический аспект) характеризуется способностью влиять на процессы управления, на соответствующее целям управления поведением людей. В этом, по существу, и состоит полезность или ценность информации. В определенных случаях ценность информации становится отрицательной, полезность сменяется вредностью, а сама информация становится дезинформацией. Ее источником служат субъективные факторы (мнения, взгляды, оценки), а также преднамеренные искажения информации с какой-либо целью. Если эта цель вызвана общественными интересами, то дезинформация может быть полезной (широко, например, используется дезинформация в военном деле. Чтобы ввести в заблуждение противника применяются ложные сигналы, сообщения, обозначения и т.д.). В общем же дезинформация - это ложь, искажение фактов, нарушение принципа адекватности информации, объективного освещения явлений общественной жизни.

Информация охватывает все сферы, все отрасли общественной жизни, прочно входит в жизнь каждого человека, воздействует на его образ мышления и поведение. Она обслуживает общение людей, социальных групп, классов, наций и государств, помогает людям овладеть научным мировоззрением, разбираться в многообразных явлениях и процессах общественной жизни, повышать уровень своей культуры и образованности, усваивать и соблюдать законы и нравственные принципы. Огромную, ничем незаменимую роль выполнят информация в управленческой деятельности. По существу, без информации не может быть и речи о любом виде управления, о целенаправленной деятельности взаимосвязанных объектов и систем.

В настоящее время разнообразная по своему значению информация, зафиксированная на специальных носителях, стала национальным богатством нового типа - информационным ресурсом государства. Являясь предметом купли-продажи во все времена, информация имеет свои специфические особенности: при обмене информацией ее количество увеличивается. Общение людей, информирование друг друга приводит к их сближению, повышению интеллектуального потенциала. У информационных ресурсов есть еще уникальное свойство - они не убывают от интенсивного использования. Более того, в процессе применения они постоянно развиваются и совершенствуются, избавляясь от ошибок и уточняя свои параметры.

В определении практической ценности информации нет каких-либо точных количественных параметров. Да и определить их не легко, поскольку ценность зависит от полезности информации для множества конкретных людей, ее получателей и пользователей. Ценность информации принято определять величиной тех потерь, которые эта информация предотвращает, или величиной затрат на добывание этой информации.

Оптимальный - значит наилучший в каком-либо отношении. Например, по времени - самый быстрый процесс, по расходу энергии - самая экономичная система и т.п. Оптимальных во всех отношениях объектов и процессов не бывает. Это объясняется противоречивостью условий достижения оптимальности.

В идеальном случае сообщение будет оптимальным, если оно по своей форме, содержанию, цели и времени соответствует возможностям и потребностям его получателя. В таком сообщении полностью учтены синтаксические, семантические и прагматические свойства информации, отсутствуют избыточность и элементы неопределенности. Оптимальное сообщение отличается краткостью, ясностью, своевременностью, новизной. Ярким примером оптимизации сообщения может служить составление телеграммы.

Оптимизация сообщений - непростая задача, требующая высокой информационной культуры человека, учета многих противоречивых факторов. Взять, к примеру, избыточность. Эта категория негативная, увеличивающая длину сообщений. Но в ряде случаев она необходима для повышения надежности передачи сообщений и их восприятия. Приемы развернутого (избыточного) изложения материала используется, например, на Темах.

.
Тема 2

2. Этапы развития информатики и вычислительной техники.

Уровни ЭВМ

Развитие аппаратных средств вычислительной техники

Уровни ЭВМ

ЭВМ - это сложная система, включающая как технические средства, так и программное обеспечение. Для изучения ЭВМ целесообразно использовать ту или иную степень детализации. Мы представим ЭВМ в виде трех последовательно усложняющихся уровней детализации:

1. Аппаратные средства - электронные схемы, из которых состоят отдельные устройства ЭВМ;

2. Архитектура - состав, характеристики и взаимосвязь устройств ЭВМ (структурная организация ЭВМ), принцип функционирования ЭВМ и ее машинный язык;

3. Программное обеспечение ЭВМ. Первые два уровня будут рассмотрены в этой лекции, а третий - в следующей. Рассмотрим с использованием этих уровней, как изменились ЭВМ за 40 с небольшим лет их существования.

 

Развитие аппаратных средств вычислительной техники

Развитие аппаратных средств вычислительной техники можно условно разбить на несколько этапов, которые имеют свои характерные особенности. Коротко рассмотрим эти этапы.

Первый этап - до 55г.За точку отсчета эры ЭВМ принимается 1946 год, когда началась опытная эксплуатация первых опытных образцов вычислительных машин. Известны также данные о первых из них: общая масса - 30 тонн, число электронных ламп - 18 тыс., потребляемая мощность - 150 квт.(мощность достаточная для небольшого завода), объем памяти - 20 10-ти разрядных чисел, время выполнения операции: сложения - 0,0002 с., умножения - 0,0028 с. Числа в ЭВМ вводились с помощью перфокарт и набора переключателей, а программа задавалась соединением гнезд на специальных наборных платах. Производительность этой гигантской ЭВМ была ниже, чем карманного калькулятора "Электроника МК-54".

Ламповые ЭВМ имели большие габариты и массу, потребляли много энергии и были очень дорогостоящими, что резко сужало круг пользователей ЭВМ, а следовательно, объем производства этих машин. Основными их пользователями были ученые, решавшие наиболее актуальные научно-технические задачи, связанные с развитием реактивной авиации, ракетостроения и т. д. Увеличению количества решаемых задач препятствовали низкая надежность, ограниченность их ресурсов и чрезвычайно трудоемкий процесс подготовки, ввод и отладка программ, написанных на языке машинных команд.

Повышение быстродействия ЭВМ шло за счет увеличения ее памяти и улучшения архитектуры: использование двоичных кодов для представления чисел и команд, а также размещения их в увеличивающейся памяти ЭВМ упростили структуру процессора и повысили производительность обработки данных. Для ускорения процесса подготовки программ стали создавать первые языки автоматизации программирования (языки символьного кодирования и автокоды). Представителями первых ЭВМ являлись ЭНИАК (США) и МЭСМ (СССР).

Второй этап - до 65 года. Развитие электроники привело к изобретению нового полупроводникового устройства - транзистора, который заменил лампы. Появление ЭВМ, построенных на транзисторах, привело к уменьшению их габаритов, массы, энергозатрат и стоимости, а также к увеличению их надежности и производительности. Это сразу расширило круг пользователей и, следовательно, номенклатуру решаемых задач. Стали создавать алгоритмические языки для инженерно-технических и экономических задач.

Но и на этом этапе основной задачей технологии программирования оставалось обеспечение экономии машинных ресурсов (машинного времени и памяти).

Для ее решения стали создавать операционные системы (комплексы служебных программ, обеспечивающих лучшее распределение ресурсов ЭВМ при использовании пользовательских задач).

Первые ОС просто автоматизировали работу оператора ЭВМ, связанную с выполнением задания пользователя: ввод в ЭВМ текста программы, вызов нужного транслятора, вызов необходимых библиотечных программ и т.д. Теперь же вместе с программой и данными в ЭВМ вводится еще и инструкция, где перечисляются этапы обработки и приводится ряд сведений о программе и ее авторе. Затем в ЭВМ стали вводить сразу по несколько заданий пользователей (пакет заданий), ОС стали распределять ресурсы ЭВМ между этими заданиями - появился мультипрограммный режим обработки.

Третий этап - до 70 г. Увеличение быстродействия и надежности полупроводниковых схем, а также уменьшения их габаритов, потребляемой мощности и стоимости удалось добиться за счет создания технологии производства интегральных схем (ИС), состоящих из десятка электронных элементов, образованных в прямоугольной пластине кремния с длиной стороны не более 1см. Такая пластина (кристалл) размещается в небольшом пластмассовом корпусе, размер которого определяется, как правило, только числом "ножек".

Это позволило не только повысить производительность и снизить стоимость больших ЭВМ, но и создать малые, простые, дешевые и надежные машины-мини-ЭВМ (СМ-1420 и т.д.). Мини-ЭВМ первоначально предназначались для замены аппаратно-реализованных контролеров (устройств управления) в контуре управления каким-либо объектом.

Организации, покупавшие мини-ЭВМ для создания контроллеров, довольно быстро поняли, что, обладая функциональной избыточностью, мини-ЭВМ может решать и вычислительные задачи традиционные для больших ЭВМ. Простота обслуживания мини-ЭВМ, их сравнительно низкая стоимость и малые габариты позволяли снабдить этими машинами небольшие коллективы исследователей, разработчиков- экспериментаторов и т.д., т.е., дать прямо в руки пользователей ЭВМ. В начале 70-х годов с термином мини-ЭВМ связывали уже два существенно различных типа средств вычислительной техники:

- универсальный блок обработки данных и выдачи управляющих сигналов, серийно выпускаемых для применения в различных специализированных системах контроля и управления;

- небольших габаритов универсальную ЭВМ, проблемно-ориентированную пользователем на решение ограниченного круга задач в рамках одной лаборатории, тех. участка и т.д., т.е., задач, в решении которых оказывались заинтересованы 10-20 человек, работавших над одной проблемой.

Представители этого поколения ЭВМ: СМ-1420.

Четвертый этап - до 78 г. Успехи в развитии электроники привели к созданию больших интегральных схем (БИС), где в одном кристалле размещалось несколько десятков тысяч электронных элементов. Это позволило разработать более дешевые ЭВМ, имеющие большую память и меньший цикл выполнения команд: стоимость байта памяти и одной машинной операции резко снизилась. Но, так как затраты на программирование почти не сокращались, то на первый план вышла задача экономии человеческих, а не машинных ресурсов.

Разрабатывались новые ОС, позволяющие программистам отлаживать свои программы прямо за дисплеем ЭВМ и ускоряло разработку программ. Это полностью противоречило концепциям первых этапов информационной технологии: "процессор выполняет лишь ту часть работы по обработке данных, которую принципиально выполнить не могут люди, т.е., массовый счет". Стала прослеживаться другая тенденция: "все, что могут делать машины, должны делать машины; люди выполняют лишь ту часть работы, которую нельзя автоматизировать".

В 71 году был изготовлен первый микропроцессор - БИС, в которой полностью размещался процессор ЭВМ простой архитектуры. Стала реальной возможность размещения в одной БИС почти всех электронных устройств несложной по архитектуре ЭВМ, т.е., возможность серийного выпуска простых ЭВМ малой стоимости. Появились дешевые микрокалькуляторы и микроконтроллеры - управляющие устройства, построенные на одной или нескольких БИС, содержащих процессор, память и системы связи с датчиками и исполнительными органами в объекте управления. Программа управления объектами вводилась в память ЭВМ либо при изготовлении, либо непосредственно на предприятии.

В 70-х годах стали изготовлять и микро-ЭВМ - универсальные ВС, состоящие из процессора, памяти, схем сопряжения с устройствами В/В и тактового генератора, размещенных в одной БИС (однокристальная ЭВМ) или в нескольких БИС, установленных на одной плате (одноплатная ЭВМ). Повторяется картина 60-х годов, когда первые мини-ЭВМ отбирали часть работы у больших ЭВМ.

Представители этого поколения ЭВМ: СМ-1800, "Электроника 60М".

Пятый этап - н/в. Улучшение технологии БИС позволяло изготовлять дешевые электронные схемы, содержащие сотни тысяч элементов в кристалле - схемы сверхбольшой степени интеграции - СБИС.

Появилась возможность создать настольный прибор с габаритами массового телевизора, в котором размещались микро-ЭВМ, клавиатура, а также схемы сопряжения с малогабаритным печатающим устройством, измерительной аппаратурой, другими ЭВМ и т.п. Благодаря ОС, обеспечивающей простоту общения с этой ЭВМ такой персональный компьютер становится принадлежностью любого специалиста и даже ребенка.
Тема 3

3. Последовательность решения задач на ЭВМ.

Этапы процесса решения задач на ЭВМ